A NB-IoT é uma rede moderna de área ampla de baixa potência (LPWAN) utilizada por operadoras para oferecer suporte aos clientes empresariais.

Alguns dos maiores casos de uso da NB-IoT estão na área de Infraestrutura de Medição Avançada (AMI), com medidores inteligentes de água representando a primeira implantação em larga escala de NB-IoT.

A NB-IoT se tornou padrão na medição inteligente de água e de gás. E apesar de ser uma boa escolha para a medição inteligente, até agora ela estava um pouco de lado quando o tema era medição elétrica AMI.

Continue a leitura para saber mais sobre as melhores práticas de implantação de NB-IoT para medidores inteligentes.

Comparação entre a medição de água e gás

A medição elétrica AMI consome muito mais largura de banda do que a AMI para medidores de água e gás. Os medidores de água e de gás normalmente medem apenas a quantidade de água ou gás utilizada, enquanto os medidores elétricos fornecem informações detalhadas, como: 

  • voltagem;
  • corrente;
  • variação de impedância;
  • temperatura.

Os medidores de água vêm no estilo mecânico tradicional, que são mais baratos, mas relatam apenas dados de consumo, e ultrassônico, que relatam outros dados, como temperatura, pressão e pureza da água. 

Geralmente, o uplink dos dados dos medidores de água e gás é feito a cada 6 horas por 24 horas, com uma largura de banda total de aproximadamente 100 bytes por metro ao dia. Normalmente há poucos requisitos de downlink para medidores de água e gás.

Alguns medidores de água e gás podem ter uma válvula de corte que pode ser controlada remotamente via downlink, e as atualizações de firmware podem ser transmitidas por meio de downlink. 

Há pouco tráfego de downlink em medidores de água e gás. Geralmente, os medidores de água usam estruturas de dados definidas para fazer uplink de suas informações. 

Em alguns casos, o protocolo Modbus padrão é usado. Os medidores de gás são mais focados no uso do protocolo Modbus, mas as tendências atuais estão mudando para o uso de Distribution Line Message Specification (DLMS).

Tipos de medidores inteligentes elétricos

Diferentes tipos de medidores inteligentes são utilizados.

Os medidores inteligentes elétricos têm requisitos de largura de banda muito mais agressivos. Eles vêm principalmente em tipos de medidores residenciais monofásicos e tipos de medidores comerciais e industriais (C&I) trifásicos, e podem ser diferenciados pela sua forma. 

Os medidores do tipo IEC são usados na maior parte do mundo e os do tipo ANSI são usados na América do Norte e em partes da América Latina. 

Protocolo DLMS

Os medidores inteligentes elétricos utilitários geralmente executam o conhecido protocolo DLMS, que foi originalmente projetado para comunicações wireline e requer comunicação orientada a conexão usando a segurança TLS e é executado em TCP. 

Cada mensagem DLMS está no nível mais baixo do hardware do medidor de energia inteligente conhecido como “register”. Portanto, uma instrução, como “ler dados do medidor” pode ser desconstruída em 10, 20, ou até mais mensagens DLMS de nível inferior, como: 

“ler register 22, ler register 34, ler register 27”

E assim por diante, cada um com uma sobrecarga do protocolo TCP de envio/reconhecimento. 

Devido a este estilo de comunicação para conexão de nível inferior, o DLMS não é adequado para transmissão escalonável, seja por meio de rede NB-IoT ou de qualquer outra rede sem fio.  

Corte de largura de banda e mensagens enviadas

A solução para isso é usar uma forma de computação de borda no módulo de comunicação dos medidores inteligentes. 

A CPU de bordo para o módulo de comunicação do medidor pode lidar com a comunicação direta de mensagens DLMS de nível inferior com o medidor elétrico, e em seguida, combinar e compactar esses dados em mensagens de formato de “camada superior” para transmissão pela rede de rádio NB-IoT.

Isso reduz muito a largura de banda geral das informações e o número de mensagens enviadas pela rede NB-IoT. Além disso, as mensagens de “camada superior” são enviadas usando CoApp sobre UDP com criptografia Huawei Datagram Transport Layer Security (DTLS+). 

DTLS+ é uma forma de reduzir o número de mensagens indiretas na criação de comunicações seguras, e é uma prática recomendada para redes NB-IoT e outras redes de celulares.

Codificação de canal (Reed-Solomon)

Codificação de canais, como código Reed-Solomon, também pode ser adicionado para reduzir o número de erros de bits ao enviar as mensagens da “camada superior” sobre a rede de rádio. 

Nos casos muito raros em que as mensagens de camada superior são recebidas com erros, uma nova tentativa pode ser feita a partir da camada de aplicação do back-office.

Reunindo tudo: visualização do nível do sistema

Ao seguir este Edge Computing (a arquitetura de mensagens de duas camadas), o requisito de energia elétrica das mensagens DLMS pode ser suportado, enquanto ainda se adapta a um formato de mensagem mais eficiente para a transmissão de camada superior pela interface de rádio NB-IoT. 

Esta metodologia também se aplica a outros tipos de comunicação RF, como GPRS, 2G/3G/4G, LoRA e RF-Mesh.

Arquitetura geral do sistema de medidores inteligentes
Fonte: blog.huawei.com

Como visto no diagrama acima, o medidor de energia inteligente elétrico atua como um servidor DLMS, fornecendo respostas DLMS de register-level quando questionado por um cliente DLMS (o painel de comunicações do medidor). 

A placa de comunicações dos medidores inteligentes atua como um cliente DLMS, e converte as mensagens DLMS para a mensagem de camada superior devidamente formulada, em seguida, compacta, criptografa e adiciona codificação de canais (Reed Solomon). 

O resultado é um medidor de energia inteligente que pode eficientemente enviar mensagens de nível superior através da rede LPWA NB-IOT para sistemas de data center de back-office para processamento. 

Visão geral dos sistemas de back-office

Os sistemas de back-office normalmente incluem Head-End System (HES), que agem de forma semelhante às plataformas IoT. 

O HES é capaz de harmonizar dados de diferentes modelos de medidores inteligentes e fornecedores, e suportar comunicações de camada superior para medidores em diferentes tipos de redes de comunicações, por exemplo, NB-IoT e PLC. 

O gerenciamento de dados do medidor (MDMS) se conecta ao HES e fornece interfaces de gerenciamento para o OAM do departamento de TI, sistemas de faturamento, sistemas de CRM e muito mais.

A NB-IoT ainda não assumiu uma posição importante na implantação da AMI de utilidade elétrica devido a mal-entendidos em algumas questões arquitetônicas descritas acima, como:  

  • Necessidade de computação de ponta para converter mensagens DLMS de camada inferior para mensagens de camada superior;
  • Necessidade de usar CoAPP / UDP ao invés de transporte TCP orientado para conexão.

O futuro da NB-IoT com medidores inteligentes

O futuro da NB-IoT nas redes inteligentes é promissor, já que as redes 2G e 3G estão sendo gradualmente eliminadas e uma substituição será necessária para a parte de IoT celular da rede elétrica (cerca de 5% das conexões). 

À medida que a AMI se torna mais presente, aumentar a cobertura de 85% para 90%, para 95% e, por fim, para 99.9% torna-se exponencialmente mais difícil com as redes de comunicação AMI tradicionais de primeira geração, como PLC ou RF-Mesh. 

As redes NB-IoT oferecem uma forma eficiente e econômica de fornecer conectividade de medidores de difícil alcance e preenchimento de lacunas.

Se você gostou do conteúdo sobre medidores inteligentes e quer conhecer as principais tendências para o futuro das empresas, confira outros conteúdos como este no blog da Huawei Cloud!

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